Luận án tiến sĩ về giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng IoT sử dụng giao thức CoAP

Luận án tiến sĩ phân tích giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng iot với giao thức coap, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức mới cho ngành.

• Tác giả: Lê Thị Thùy Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Giải Pháp Điều Khiển Tắc Nghẽn Trong Mạng IoT Với Giao Thức CoAP
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG IoT VÀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN
• 1.1. Tổng quan về mạng IoT
• 1.2. Khái niệm về IoT
• 1.3. Các dạng dạng IoT
• 1.4. Mô hình kiến trúc mạng IoT
• 1.5. Tóm lược và các giao thức tầng dạng của IoT
• 1.6. Tắc nghẽn và nguyên nhân tắc nghẽn
• 1.6.1. Khái niệm tắc nghẽn mạng
• 1.6.2. Nguyên nhân tắc nghẽn mạng
• 1.7. Tắc nghẽn mạng IoT
• 1.8. Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín
• 1.8.1. Điều khiển dựa cửa sổ và điều khiển dựa tác động
• 1.9. Điều khiển tắc nghẽn mạng IoT
• 1.9.1. Điều khiển máy và khả năng áp dụng cho điều khiển tắc nghẽn
• 1.9.2. Khả năng áp dụng điều khiển máy cho điều khiển tắc nghẽn
• 1.10. Giao thức CoAP
• 1.10.1. Hoạt động của CoAP
• 1.10.2. Cơ chế điều khiển tắc nghẽn của CoAP
• 1.10.3. Các nghiên cứu liên quan cải tiến CoAP và những tồn tại
• 1.10.4. Các nghiên cứu liên quan cải tiến CoAP
• 1.10.5. Những tồn tại của CoAP và các nghiên cứu liên quan
• 1.10.6. Các tham số đánh giá hiệu năng giao thức CoAP
• 1.11. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TRUYỀN CHUỖI GÓI VÀ GIAO THỨC RCoAP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN DỰA VÀO TÁC ĐỘNG
• 2.1. Mô hình phân tích cho truyền chuỗi gói tin cây với CoAP
• 2.2. Sự đổi lượng tin kết nối đầu cuối của CoAP trong mạng IoT
• 2.3. Mô hình điều khiển tắc nghẽn cho CoAP
• 2.4. Tính toán tác động phát chuỗi gói tin của CoAP
• 2.5. Đề xuất giao thức RCoAP
• 2.6. Cơ chế hoạt động và điều khiển tắc nghẽn của RCoAP
• 2.7. Các trạng thái của giao thức RCoAP
• 2.8. Các thuật toán cơ bản của giao thức RCoAP
• 2.9. Tính toán hiệu năng giao thức RCoAP
• 2.10. Tính toán mất gói tin khi truyền
• 2.11. Các tham số hiệu năng khác
• 2.12. Kết quả mô phỏng cho RCoAP
• 2.12.1. Thiết lập môi trường mô phỏng
• 2.12.2. Tổng hợp các thay đổi cải tiến của RCoAP so với CoAP
• 2.13. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: GIAO THỨC FCoAP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN DỰA VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ
• 3.1. Giải pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng hệ điều khiển mờ
• 3.2. Sự đổi giải pháp và các tham số điều khiển. Phát hiện sớm tắc nghẽn
• 3.3. Tính toán băng thông các chai và tái lưu lượng chuỗi gói
• 3.4. Lựa chọn đầu vào cho hệ điều khiển mờ
• 3.5. Lựa chọn đầu ra cho hệ điều khiển mờ
• 3.6. Thiết kế hệ thống điều khiển mờ
• 3.7. Mô tả suy diễn mờ
• 3.8. Giải mờ, điều chỉnh tác động phát, cập nhật RTO
• 3.9. Giao thức FCoAP cho điều khiển tắc nghẽn mạng
• 3.10. Cơ chế điều khiển của FCoAP
• 3.11. Các trạng thái của giao thức FCoAP
• 3.12. Các thuật toán của giao thức FCoAP
• 3.13. Tính toán hiệu năng giao thức FCoAP
• 3.14. Đề trễ đầu cuối của FCoAP
• 3.15. Thông lượng của FCoAP
• 3.16. Các thông số hiệu năng khác
• 3.17. Kết quả mô phỏng đánh giá FCoAP
• 3.17.1. Thiết lập môi trường mô phỏng cho FCoAP
• 3.17.2. Kiểm tra hoạt động của hệ điều khiển mờ
• 3.17.3. So sánh hiệu năng FCoAP và CoAP
• 3.17.4. Hiệu năng FCoAP và CoAP khi có lưu lượng UDP thay đổi
• 3.17.5. Hiệu năng FCoAP và CoAP khi có lưu lượng CoAP hỗn hợp
• 3.17.6. FCoAP và CoAP khi có lưu lượng TCP/UDP hỗn hợp
• 3.17.7. So sánh FCoAP với CoAP, CoCoA, CoCoA+
• 3.17.8. So sánh FCoAP với RCoAP
• 3.18. Kết luận chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mạng IoT và giao thức CoAP

Mạng IoT (Internet of Things) đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại, kết nối hàng triệu thiết bị thông minh. Các thiết bị này có khả năng thu thập, xử lý và trao đổi dữ liệu qua Internet. Giao thức CoAP (Constrained Application Protocol) được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị IoT với tài nguyên hạn chế, cho phép truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn. CoAP hoạt động trên nền tảng UDP, giúp giảm thiểu độ trễ và chi phí truyền tải. Tuy nhiên, việc sử dụng CoAP cũng gặp phải một số thách thức, đặc biệt là vấn đề tắc nghẽn mạng. Tắc nghẽn xảy ra khi lưu lượng dữ liệu vượt quá khả năng xử lý của mạng, dẫn đến mất gói tin và giảm hiệu suất. Do đó, việc phát triển các giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng IoT với giao thức CoAP là rất cần thiết.

II. Nguyên nhân và tác động của tắc nghẽn trong mạng IoT

Tắc nghẽn trong mạng IoT thường xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm lưu lượng dữ liệu lớn, băng thông hạn chế và khả năng xử lý của thiết bị thấp. Khi tắc nghẽn xảy ra, các gói tin có thể bị mất, dẫn đến việc giảm hiệu suất mạng. Điều này đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng nhạy cảm với thời gian như giám sát y tế hoặc an ninh. Việc hiểu rõ nguyên nhân và tác động của tắc nghẽn là bước đầu tiên để phát triển các giải pháp điều khiển tắc nghẽn hiệu quả. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa băng thông và cải thiện khả năng xử lý của thiết bị có thể giúp giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn. Hơn nữa, việc áp dụng các thuật toán điều khiển tắc nghẽn thông minh có thể giúp duy trì hiệu suất mạng ổn định.

III. Các giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng IoT với giao thức CoAP

Để giải quyết vấn đề tắc nghẽn trong mạng IoT, nhiều giải pháp điều khiển tắc nghẽn đã được đề xuất. Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng các thuật toán điều khiển tắc nghẽn dựa trên mô hình RCoAP, cho phép điều chỉnh lưu lượng dữ liệu một cách linh hoạt. RCoAP sử dụng các tham số như thời gian quay vòng (RTT) và thời gian phát lại (RTO) để tối ưu hóa quá trình truyền tải. Ngoài ra, việc áp dụng các phương pháp như FCoAP (Fuzzy CoAP) cũng đã cho thấy hiệu quả trong việc giảm thiểu tắc nghẽn. FCoAP sử dụng các thuật toán mờ để điều chỉnh lưu lượng một cách thông minh, giúp cải thiện hiệu suất mạng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp nhiều giải pháp điều khiển tắc nghẽn có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc duy trì hiệu suất mạng ổn định.

IV. Đánh giá hiệu suất và ứng dụng thực tiễn

Việc đánh giá hiệu suất của các giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng IoT là rất quan trọng. Các thử nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng RCoAP và FCoAP đã giúp giảm thiểu đáng kể tình trạng tắc nghẽn, đồng thời cải thiện tốc độ truyền tải và độ tin cậy của mạng. Các ứng dụng thực tiễn của những giải pháp này rất đa dạng, từ giám sát y tế đến quản lý đô thị thông minh. Sự phát triển của các giải pháp điều khiển tắc nghẽn không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mạng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho việc triển khai các ứng dụng IoT trong tương lai. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong bối cảnh mạng IoT ngày càng phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bä THÔNG TIN VÀ TRUYÄN THÔNG HàC VIÈN CÔNG NGHÈ B¯U CHÍNH VIÆN THÔNG Lê Thß Thùy D°¢ng GIÀI PHÁP ĐIÂU KHIÄN TÀC NGH¾N TRONG M¾NG IoT VæI GIAO THĀC CoAP LU¾N ÁN TIÀN S) KĀ THU¾T Hà Nåi - 2023 ii Bä THÔNG TIN VÀ TRUYÄN THÔNG HàC VIÈN CÔNG NGHÈ B¯U CHÍNH VIÆN THÔNG Lê Thß Thùy D°¢ng GIÀI PHÁP ĐIÂU KHIÄN TÀC NGH¾N TRONG M¾NG IoT VæI GIAO THĀC CoAP CHUYÊN NGÀNH: KĀ THUÀT VIÈN THÔNG Mà Sà: 9.08 LUÀN ÁN TIÂN S) KĀ THUÀT NG¯èI H¯æNG DẪN KHOA HàC 1. TSKH HOÀNG ĐNG HÀI 2. PH¾M THIÀU NGA Hà Nåi – 2023 i LèI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luÁn án <GiÁi pháp điÅu khiÇn tÃc nghÁn trong m¿ng IoT vßi giao thāc CoAP= là công trình nghiên cāu cÿa tôi, d°ßi sā h°ßng d¿n cÿa PGS.TSKH Hoàng Đăng HÁi và TS. Ph¿m ThiÃu Nga.

Các kÃt quÁ đ°ÿc trình bày trong luÁn án là hoàn toàn trung thāc và không xung đåt vßi bÃt kỳ tác giÁ nào khác. Các sá liËu trong luÁn án đ°ÿc sử dāng là trung thāc, måt phÅn đã đ°ÿc công bá trên các t¿p chí khoa học chuyên ngành vßi sā đßng ý và cho phép cÿa đßng tác giÁ. Người cam đoan Lê Thị Thùy Dương ii LèI CÀM ¡N ĐÇ hoàn thành luÁn án tôi xin bày tß lòng biÃt ¢n sâu sÃc đÃn PGS. Hoàng Đăng HÁi – Học viËn Công nghË B°u chính viÉn thông và TS Ph¿m ThiÃu Nga – Đ¿i học xây dāng Hà Nåi đã tÁn tình h°ßng d¿n, t¿o mọi điÅu kiËn và giúp đỡ tôi thāc hiËn và hoàn thành luÁn án này.

Tôi xin trân trọng cÁm ¢n các thÅy cô giáo cÿa Học viËn Công nghË B°u chính viÉn thông đã có nhÿng nhÁn xét khoa học chân thành và sâu sÃc trong các buái báo cáo định h°ßng và tiÃn đå nghiên cāu cũng nh° báo cáo chuyên đÅ và tiÇu luÁn táng quan. Tôi cũng xin trân trọng cÁm ¢n các thÅy cô trong khoa ViÉn thông và khoa Đào t¿o sau đ¿i học, Học viËn Công nghË B°u chính viÉn thông đã giÁng d¿y và giúp đỡ nhiËt tình trong suát quá trình học tÁp t¿i Học viËn B°u chính viÉn thông. Tôi biÃt ¢n nhÿng ng°ái thân trong gia đình đã luôn bên tôi, nhÿng đßng nghiËp, b¿n bè đã đång viên đÇ tôi có thÇ hoàn thành bÁn luÁn án. Nghiên cứu sinh Lê Thị Thùy Dương iii MĀC LĀC DANH MĀC CÁC TĂ VIÂT TÂT.

vi DANH MĀC CÁC KÝ HIÊU .viii DANH MĀC HÌNH VÀ .TàNG QUAN VÄ M¾NG IoT VÀ VÂN ĐÄ ĐIÄU KHIÆN TÂC NGHÀN. Táng quan vÅ m¿ng IoT. Khái niËm vÅ IoT. Các āng dāng IoT.

Mô hình kiÃn trúc m¿ng IoT. Tóm l°ÿc vÅ các giao thāc tÅng āng dāng cÿa IoT. TÃc nghÁn và nguyên nhân tÃc nghÁn. Khái niËm tÃc nghÁn m¿ng.

Nguyên nhân tÃc nghÁn m¿ng. TÃc nghÁn m¿ng IoT. ĐiÅu khiÇn vòng hã và điÅu khiÇn vòng kín. ĐiÅu khiÇn dāa cửa sá và điÅu khiÇn dāa tác đå.

ĐiÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng IoT. ĐiÅu khiÇn má và khÁ năng áp dāng cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn. KhÁ năng áp dāng điÅu khiÇn má cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn. Giao thāc CoAP.

Ho¿t đång cÿa CoAP. C¢ chà điÅu khiÇn tÃc nghÁn cÿa CoAP. Các nghiên cāu liên quan cÁi tiÃn CoAP và nhÿng tßn t¿i. Các nghiên cāu liên quan cÁi tiÃn CoAP.

Nhÿng tßn t¿i cÿa CoAP và cÿa các nghiên cāu liên quan. Các tham sá đánh giá hiËu năng giao thāc CoAP. KÃt luÁn ch°¢ng 1. MÔ HÌNH TRUYÄN CHUâI GÓI VÀ GIAO THĀC RCoAP ĐIÄU KHIÆN TÂC NGHÀN DĀA VÀO TàC Đä.

Mô hình phân tích cho truyÅn chuãi gói tin cÁy vßi CoAP. S¢ đß lußng tin kÃt nái đÅu cuái cÿa CoAP trong m¿ng IoT. Mô hình điÅu khiÇn tÃc nghÁn cho CoAP. Tính toán tác đå phát chuãi gói tin cÿa CoAP.

ĐÅ xuÃt giao thāc RCoAP. C¢ chà ho¿t đång và điÅu khiÇn tÃc nghÁn cÿa RCoAP. Các tr¿ng thái cÿa giao thāc RCoAP. Các thuÁt toán c¢ bÁn cÿa giao thāc RCoAP.

Tính toán hiËu năng giao thāc RCoAP. Tính toán mÃt gói tin khi truyÅn. Các tham sá hiËu năng khác. KÃt quÁ mô phßng cho RCoAP.

ThiÃt lÁp môi tr°áng mô phßng. Táng hÿp các thay đái cÁi tiÃn cÿa RCoAP so vßi CoAP. KÃt luÁn ch°¢ng 2. GIAO THĀC FCoAP ĐIÄU KHIÆN TÂC NGHÀN DĀA VÀO HÊ ĐIÄU KHIÆN Mà.

GiÁi pháp điÅu khiÇn tÃc nghÁn sử dāng hË điÅu khiÇn má. S¢ đß giÁi pháp và các tham sá điÅu khiÇn. Phát hiËn sßm tÃc nghÁn. Tính toán băng thông cá chai và tÁi l°u l°ÿng chuãi gói.

Lāa chọn đÅu vào cho hË điÅu khiÇn má. Lāa chọn đÅu ra cho hË điÅu khiÇn má. ThiÃt kà hË tháng điÅu khiÇn má. Mô t¢ suy diÉn má .GiÁi má, điÅu chÍnh tác đå phát, cÁp nhÁt RTO.

Giao thāc FCoAP cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng. C¢ chà điÅu khiÇn cÿa FCoAP. Các tr¿ng thái cÿa giao thāc FCoAP. Các thuÁt toán cÿa giao thāc FCoAP.

Tính toán hiËu năng giao thāc FCoAP. Đå trÉ đÅu cuái cÿa FCoAP. Thông l°ÿng cÿa FCoAP. Các thông sá hiËu năng khác.

KÃt quÁ mô phßng đánh giá FCoAP. ThiÃt lÁp môi tr°áng mô phßng cho FCoAP .1: KiÇm tra ho¿t đång cÿa hË điÅu khiÇn má .2: So sánh hiËu năng FCoAP và CoAP.3: HiËu năng FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái .4: HiËu năng FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng CoAP hãn hÿp .5: FcoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng TCP/UDP hãn hÿp.6: So sánh FCoAP vßi CoAP, CoCoA, CoCoA+. So sánh FCoAP vßi RCoAP. KÃt luÁn ch°¢ng 3.

Đóng góp mßi cÿa luÁn án. H°ßng phát triÇn tiÃp. 111 v TÀI LIÊU THAM KHÀO .